The Function of Sound in the Insect World

Daniel Briceño

There is no English version of this chapter. The author, a noted entomologist from the University of Costa Rica, reviews sound mechanisms and evolution for insects. He concludes that despite the similarity in function, the mechanisms are far more varied in insects, suggesting multiple evolution of sound communication in these organisms, while humans, like other vertebrates, inherited sound communication from a reptile ancestor.


La función del sonido en el mundo de los insectos

Escuela de Biología, Universidad de Costa Rica, 2060 Costa Rica.

Nota del Editor: se presenta aquí una transcripción ligeramente editada de la presentación oral del Prof. Briceño.


Como biólogo no soy ducho en filosofía, aunque dicen que los científicos antes de hacer ciencia filosofan, así que voy a tratar de hacer una aproximación al tema.


Estaba pensando cómo ligar lo que hago en el laboratorio, con la temática del origen biológico de la música y dedicándole un poco de meditación me pregunto ¿cómo se puede visualizar la música?


La música es un proceso neurológico, es decir, algo que ocurre dentro de la cabeza. Para entender lo que ocurre en la cabeza tendríamos que disectar el cerebro para ver cómo nosotros los humanos asociamos la actividad cerebral con el placer de escuchar la música.


El problema del sistema nervioso humano es que es demasiado complejo. Estamos hablando de un sistema que está compuesto muchos millones de neuronas. Nuestros órganos sensoriales son bastante complejos, como ejemplo todo lo que se refiere a la estructura del oído. Otro problema es que comprendemos apenas superficialmente cómo funciona nuestro sistema nervioso. El sistema nervioso es algo así como una caja negra.


Por tanto hay aquí un problema realmente práctico cuando tratamosde entender un poco cómo escuchamos, cómo percibimos, cómo analizamos la música y todo lo que nos genera la música. Tenemos que empezar con sujetos más sencillos.


Sin embargo, incluso el analizar los mecanismos de percepción, emisión de sonido y el tamaño del sistema nervioso en vertebrados como las aves, es también bastante complejo.


Los insectos, que son el grupo que más me interesa, tienen ventajas sobre sistemas neuronales complejos como el del hombre y las aves. Esto porque son sistemas muy pequeños, mucho más fáciles de analizar y de comprender.


A través del estudio de modelos biológicos no tan complejos como el de los insectos es posible entender el significado del sonido y de cómo es interpretado por el sistema nervioso.


Mi exposición va orientada a tratar de darles una introducción general, básica, sobre cómo son los oídos de los insectos.


Entre las preguntas que surgen: ¿los insectos pueden escuchar? ¿cómo escuchan los insectos?. ¿los insectos tienen cerebro?


Para entender cómo oyen los insectos y cómo se genera el canto en ellos, es necesario hablar un poco sobre la neurobiología de manera general. Voy a desglosar el tema y luego al final, voy a hablarles del tipo de trabajo que hago asociado con la música, si es que podemos llamar música al canto de los insectos.


Primero es necesario entender cómo oyen los insectos, cómo perciben ellos los sonidos y cuál es la función en sí de los sonidos en el mundo de los insectos.


Antes deberíamos tener en cuenta qué es lo que se entiende por sonido.


Alguien puede mencionar una onda, ruido, vibraciones. Pues bien, todos esos elementos están incluidos dentro de lo que es sonido: son variaciones de presión y como el medio a través del cual se transmite el sonido es el aire, entonces son cambios en la presión de la fluctuación del aire. Además, las partículas del aire vibran en el sentido de propagación del sonido. Esto es una manera sencilla de explicarlo. Lo que han hecho los organismos en sí es desarrollar una serie de receptores que les permitan detectar esos cambios de presión del aire.


Preguntemos ahora, ¿cuál es la función del sonido? para después pasar a la pregunta, ¿cuál es la función de la música?.


Básicamente en el mundo animal el sonido tiene dos aspectos significativos: primero detectar algo que se acerca y que puede hacer daño, como un depredador. Esta primera función, sirve entonces para detectar cuando se desplaza otro animal, cuando se está acercando.


La segunda función cae dentro del contexto reproductivo y sexual, que sería en en este caso atraer a la pareja.


Como los animales están dispersos en el ambiente hay que buscar alguna manera para llamarse y localizarse. Esto puede hacerse a través de los olores, es decir fragancias producidas por los organismos, que es una manera relativamente efectiva ya que las moléculas químicas se dispersan a través del aire.


La otra forma para llamarse es a través del sonido. El problema del sonido es que no llega muy lejos, pero se utiliza mucho para llamar o aproximar a su pareja y luego iniciar el cortejo.


En el contexto social, los individuos se reconocen a través de llamadas, pueden comunicar "este soy yo", también pueden comunicar "yo soy muy fuerte", o "estás en mi territorio, no quiero que estés dentro de mi territorio" y otros mensajes similares. Probablemente todos estos mecanismos, especialmente el social, la serie de sonidos sociales, fueron muy importantes dentro de las culturas primitivas, dentro de los grupos nómadas de primates que evolucionaron hacia el hombre.


Se concluye entonces que hay tres aspectos muy importantes o funciones básicas que tiene el sonido dentro de la comunicación animal. Hay un cuarto aspecto que es mantener relaciones con otros organismos que no son de la misma especie.


Los insectos utilizan ámbitos de frecuencias muy variados, que van desde 1 hz hasta 15 khz, e intensidades de sonidos que van desde 10 decibeles a 100 decibeles. Para darse una idea de esto, cuando una motocicleta pasa frente a uno puede producir un sonido como de 120 decibeles.


Otro hecho interesante es que el sentido del oído en los insectos se ha originado varias veces independientemente, es decir que no tiene origen común, en contraste con los vertebrados.


Los insectos han podido solucionar un problema como es detectar el sonido, de distintas maneras, desarrollando diferentes órganos sensoriales.



Para ilustrarles esto, consideremos algo de la diversidad:


Las mariposas nocturnas poseen varios tipos de órganos receptores u oídos. Pero ¿para qué le sirve el oído a una mariposa nocturna? Para detectar murciélagos. Los murciélagos las atacan de noche, son su presa preferida; hay murciélagos que se alimentan de gran cantidad de cosas pero hay algunos que se alimentan de insectos y a otros les gustan mucho las polillas.


En la cabeza de una polilla existe lo que llamamos palpo, el cual está hueco, lleno de sacos de aire y posee una membrana timpánica que vibra a ciertas frecuencias.


Otra polilla posee un sistema similar en la cual la membrana timpánica está en el abdomen (también con sacos de aire y células receptoras).


Lo que hacen los sacos de aire es filtrar las frecuencias, es decir solo las frecuencias que a ellos les interesa son escuchadas. A ellas no les interesa escuchar a una rana cantando, les interesa la alta frecuencia que emiten los murciélagos. Como se sabe los murciélagos gritan; tienen un sistema de localización para poder ubicar las cosas. Aunque ellos ven, no ven muy bien, por eso también utilizan el sonido. Esto le permite filtrar frecuencias que están sobre los 15 khz, y lo que está abajo de esas frecuencias simplemente no lo escuchan, porque no les interesa. La membrana vibra y las células asociadas a esa membrana envían impulsos nerviosos al cerebro para decir "ahí viene algo que me puede comer".


El ejemplo anterior ilustra las señales acústicas empleadas para mantener relaciones con individuos de otras especies.


Otro sistema parecido está ubicado en el ala de una mariposa. Hay un tímpano que vibra y existen receptores asociados.


Las moscas no tienen membranas timpánicas sino pelos. Como se había dicho, el sonido son fluctuaciones en la presión del aire. Las partículas están vibrando; estos pelos lo que hacen es que vibran conforme vibra el aire o las partículas del aire. Si la dirección del sonido es perpendicular al pelo, éste va a vibrar y es así como las moscas perciben los sonidos. El problema de este órgano es que no puede discernir muchas frecuencias como nosotros podemos hacerlo a través de nuestro oído, sino que sólamente sirve para detectar cierto tipo de frecuencias, es muy selectivo.


Pero en el mundo animal, a algunos individuos no les interesa detectar muchos ruidos que hay afuera, como a nosotros, que sí tenemos esa capacidad de detectar muchos ruidos, sonidos y frecuencias. A ellos solo les interesa detectar si viene o no viene un depredador o si hay un macho o una hembra cerca: no necesitan tener oídos muy elaborados.


Existe un escarabajo acuático que posee un oído donde parte del tímpano está cubierto por una especie de martillo, una base y una especie de palito que sale del cuerpo del animal. Este palito vibra con el sonido que se transmite a través del agua con ciertas frecuencias, al vibrar este también la base, el tímpano y de esta manera el escarabajo puede detectar los cantos de llamada de otros machos u otras hembras de su misma especie.


Evidentemente este sistema es muy diferente al oído nuestro compuesto de huesos; el tímpano es algo más sencillo. Todos estos modelos de receptores o de oídos para detectar el sonido, nos demuestran que no existe un origen común de este tipo de receptores.


Se visualizan ahora los diferentes tipos de oídos que hay en los insectos, uno de ellos es lo que se conoce como el oído de presión, en el cual este solamente puede detectar la onda de sonido que incide en cierto ángulo sobre la membrana. Esta membrana está encerrada en una cavidad. Si viene el sonido por un ángulo distinto no va a ser escuchado, sino que la onda de sonido debe entrar en una cierta forma para ser escuchado y dar cierta direccionalidad de dónde proviene el sonido.


El otro tipo de oído que existe en los insectos es lo que se conoce con el nombre de oído de presión diferencial. Consta de dos membranas. Con este tipo de oído se puede detectar muy fácilmente la dirección del sonido por diferencias en la velocidad con la cual el sonido alcanza la membrana timpánica, y unos milisegundos después alcanzan la otra membrana. Es decir por diferencias en el tiempo se puede saber de dónde provino el sonido. Es algo similar a cómo funciona el oído humano. Cuando usted escucha algo le llega a un oído primero y depués al otro; hay una diferencia de milisegundos y se puede detectar la dirección del sonido. El sistema de presión diferencial es el más cercano al tipo de oído que nosotros tenemos.


Otro tipo de oído es el de los grillos. Los grillos normalmente tienen sus oídos en las patas, aunque hay grillos que las tienen en el costado del abdomen. También en este tipo de oído tenemos una membrana timpánica, una membrana timpánica posterior y una membrana timpánica anterior; hay también sacos de aire que, como les decía, filtran frecuencias, y células receptoras del sonido.


Con toda esta diversidad de oídos viene la pregunta, ¿cómo se percibe el sonido? Una de las formas de percepción es a través de células nerviosas que se asocian a la membrana. Si esta membrana vibra la neurona dispara una señal que va a alguna parte en el sistema nervioso del grillo y le dice que algo está sonando. Entre más vibre esta membrana, mayor número de impulsos nerviosos. Si uno pudiera oír una neurona, sería similar a oir un disparo de pistola. Oiría una cosa así como TA, TA, TA, cada vez que es estimulada la membrana, si se estimula muy rápido oiría prrprrprr, es decir, son muchos disparos. Eso llega al cerebro y en el cerebro es interpretado. Pero en términos neurológicos son transmisión de impulsos nerviosos a un lugar en el cerebro en donde es interpretada la información.


Habrán oído un grillo en una de esas noches de insomnio bien calientes, tratando de dormir con el grillito chirriando: aunque suena monótono el canto es complejo .


Los biólogos nos hemos aproximado a entender cómo funciona el sistema nervioso, cómo se interpreta esa información y cómo se genera el canto en los grillos.


Los grillos cantan de varias maneras. A menudo para producir un sonido en el mundo de los insectos se frota una estructura contra otra, normalmente una tiene dientes y la otra es un borde o una cresta:al pasar los bordes por esa cresta se emite un sonido. Este sonido normalmente es, dentro del grupo de los insectos, tal vez el más puro, es el caso de los grillos.


En otros grupos es un poco más complejo. Algunos grillos lo hacen con las alas. Las alas tienen la misma estructura, un órgano raspador a manera de cresta, muy quitinizado, que es un reforzamiento que tiene el ala y esto es frotado contra una serie de hileras de dientes.


Los músculos que causan que se abran y cierren las alas (que también tienen que ver con el vuelo) hacen que esta serie de dientes se frote contra la otra superficie produciéndose el sonido por unos pocos milisegundos, (aproximadamente 15 milisegundos). También hay insectos que frotan una pata contra partes del lado del cuerpo.


Una manera de estudiar el problema es utilizando microelectrodos. El sistema consiste en ponerle pequeñas agujas al sistema nervioso de un insecto para detectar los impulsos nerviosos.


Es mucho más fácil trabajar con este sistema nervioso, ya que el sistema nervioso de un insecto contiene 100 mil neuronas, es posible identificar neuronas, teñirlas y meterles electrodos para ver cómo es la actividad.


En un cerebro humano esto es prácticamente imposible, éticamente hay problemas en destaparle la cabeza a alguien y ponerle electrodos... pero a nadie le duele mucho si abrimos un saltamontes y le tratamos el cerebro, igual pasa con una cucaracha, casi todo el mundo estaría de acuerdo con tales experimentos.



Siguiendo con los grillos, hay que ver la actividad nerviosa de las células asociada a esos músculos. Hay un impulso nervioso asociado a la emisión del canto, porque el canto es simplemente que se frote un ala con la otra, así que evidentemente va a existir una señal nerviosa.


Supuestamente hay una serie de neuronas que se conocen con el nombre de neuronas de mando, que dan las órdenes y activan otra serie de neuronas que generan el canto. En este caso ¿qué es el canto? El canto es frotar un ala sobre la otra.


Como vieron ustedes simplemente es contraer un músculo y relajar un músculo, frotando un ala. Esa orden la da una neurona de mando que puede ser estimulada con un electrodo. Es posible poner varios electrodos en el área del músculo y ver cómo reaccionan estas neuronas.


Hay una cadena de hechos: un impulso nervioso de esta neurona que produce un impulso muscular a nivel de la neurona llamada motora produciéndose una contracción muscular, haciendo que se abra o se cierre el ala con un ritmo, es decir una repetición de un elemento.


Algo muy interesante es que el grillo puede callarse y cuando empieza otra vez a cantar sigue manteniendo el ritmo, no lo pierde. Esto es muy interesante porque nos sugiere que hay un sistema superior, en el sistema nervioso de los grillos, que le permite al grillo mantener el ritmo en el canto. Es como un pequeño reloj que va contando, le va dando la ritmicidad al canto.


Otro de los detalles interesantes que han surgido de los estudios sobre el canto en grillos, se refiere a si el grillo tiene que aprender el canto. ¿Debe escuchar a los adultos para aprender el canto y necesita un período de aprendizaje?


Se empezó a estudiar la actividad de las neuronas en grillos juveniles, en los grillo pequeños que como sabrán no pueden cantar porque necesitan desarrollar las alas primero.


Así, se estudió la actividad de las neuronas que tienen que ver con la contracción y relajación de los músculos (no se puede estudiar el canto porque no se escucha).


Se encontró que las ninfas muy jóvenes carecían de ritmo, probablemente porque no lo necesitan. Todavía el sistema nervioso no ha madurado ni se ha desarrollado ¿para qué entonces tener todo listo?. El sistema nervioso necesita una etapa de desarrollo para establecer las conexiones que tienen que ver con el canto. Es necesario un proceso de maduración, el sistema nervioso no nace ya con todas las conexiones establecidas. Pero un momento antes de establecerse como adulto el insecto, ya se da esa sincronización de las neuronas, y se puede diferenciar entre el canto de un adulto y el canto con las neuronas de un juvenil. Se puede generar el patrón del canto en los juveniles provocando pequeñas lesiones en el sistema nervioso. Es como la habilidad musical en niños, uno no puede esperar que puedan cantar una opereta desde el principio, necesitan cierta edad, en la cual hay cierta madurez del sistema nervioso para poder ya aprender las bases de la música.


Se ha determinado que el canto es heredado, al igual que muchas otras características; existe un patrón heredado del canto y es específico para cada una de las especies. Aparentemente participan muchos genes en la determinación del canto en los insectos, pero ello es heredable, se transmite a las siguientes generaciones, y evidentemente la ninfa no necesita aprenderlo.


Evidentemente aquí no estamos hablando de cosas parecidas a la Quinta Sinfonía de Bethoven ni a la complejidad de Juan Sebastián Bach, o la música barroca, pero nos dan una idea de por qué también pudo haber evolucionado el hombre en el sentido de la música y después se pudo haber modificado o transformado la música a partir de ese simple origen.


Evidentemente el hombre es un animal y probablemente también el canto o las señales acústicas podían estar dentro de estos mismos contextos. Por ejemplo, los tipos de canción. En el caso de insectos uno es para agregación En los Alpes Suizos, se escuchan los famosos gritos de un lugar a otro y se ven sus grandes cornos de llamada, estos tienen una función de agregación: reunir a la gente en un lugar. Esto mismo tiene el sentido de la canción en insectos, agregarnos por varias razones, ya sea para buscar pareja o simplemente para protegerse, etc. Normalmente este tipo de señales son de baja intensidad con un amplio ámbito de frecuencia y muy sencillas, es decir son señales en las cuales no hay un elemento común repetitivo, como en el caso del canto del grillo, sino simplemente una señal de agregación, y eso tiene por funciones la atracción de hembras, atracción social y formación de pareja.


También las canciones son para cortejar. Les voy a ilustrar esto ahora con un caso. La función supuestamente en el cortejo es estimular a la hembra: todos sabemos cuán sentimentales se ponen las mujeres cuando uno les lleva serenata. Esto ocurre igualmente en el caso de los insectos, tiene una función de estimulación sobre la hembra. Hay estimulaciones que ocurren previo a la cópula, durante la cópula y después de la cópula. Muchas llamadas se emiten. Incluso se ha descubierto llamadas en las cuales el macho dice "he tenido éxito en una cópula" y el macho canta "lo he logrado".


Otra función es la agresión, la pelea, esas son para otro contexto, en la cual se separan rivales, se establece dominancia, se establece territorialidad, y en algunas ocasiones se forma pareja. Estos también son cantos bastantes sencillos.


Hay señales de protesta y alarma, para avisar cuando alguien está molestando o cuando viene un depredador.


Están luego las señales sociales, que influyen en ese reconocimiento, es decir para determinar si se trata de miembros de la misma especie. Señales para encontrar alimento y la utilización del nido.


Ahora les voy a ilustrar de una manera muy rápida sobre este tipo de funciones. Ya les había mencionado el caso de mariposas nocturnas, que detectan a los murciélagos cuando se acercan. Los murciélagos emiten sonidos de alta frecuencia y la mariposa detecta que viene un murciélago porque empieza a vibrar la membrana timpánica que coincide con la frecuencia a la cual emite el grito el murciélago. La mariposa tiene una ventaja porque sabe que alguien viene detrás. Evidentemente es una ventaja relativa porque el murciélago es más rápido, pero le da tiempo a la mariposa y puede hacer varias cosas, por ejemplo ir en línea recta y dejarse caer, dar vueltas, o hace maniobras evasivas. Pero ¿cómo sabe una mariposa por dónde viene el depredador? La mariposa lo oye por ejemplo a treinta metros pero no sabe ni a qué velocidad viene ni por dónde viene y eso es algo que tiene que saber para moverse hacia la derecha e ir directamente hacia la boca del murciélago o ir hacia la izquierda donde puede escapar, la mariposa tiene que saber exactamente la dirección.


Para eso tienen dos oídos y ya les había mencionado que funcionan un poco como funcionamos nosotros, el sonido alcanza primero un oído y después otro. Ello se traduce en términos neuronales para la mariposa. La actividad de las células acústicas de un lado del oído es mucho mayor que la del otro, estas neuronas disparan con mayor frecuencia. Así sabe si viene por el lado izquierdo o por el lado derecho. Si ambas células disparan con la misma frecuencia, entonces ella sabe que el murciélago está atrás, y puede hacer una maniobra hacia un lado u otro.


Otro dato interesante de estas polillas es que tienen un órgano emisor de ruidos en una de las patas. Cuando están en vuelo producen frecuencias que van en el mismo ámbito de frecuencias del murciélago, y surge la duda, porque la táctica o la estrategia sería ir callado y que no lo oigan, pero esta mariposa emite sonidos, ruidos que está oyendo el murciélago. Esos ruidos son molestos para el murciélago o le avisan de una presa venenosa o desagradable


Las mariposas también hacen asociaciones con hormigas; hay hormigas que cuidan a las larvas. Estas larvas producen ciertas secreciones que tienen aminoácidos y azúcar en baja concentración: alimentan a las hormigas. Las larvas poseen una serie de órganos que producen sonidos, ciertas irregularidades en la cabeza son frotadas con otra estructura, de la misma manera que un güiro (instrumento musical de raspado) emitiendo señales. Con esas señales las larvas logran avisar a las hormigas cuando están en peligro o atraen a las hormigas para que las atiendan. Estas llamadas son bastante sencillas y muy regulares.


Estoy estudiando la mosca del Mediterráneo, una mosca de la fruta. Estoy muy interesado en lo que tiene que ver con comportamiento de agresión y comportamiento de cortejo.


La mosca emite sonidos cuando es agresiva y cuando está en cortejo.


Entre machos y hembras, existen algunas diferencias. Estas moscas pelean por territorios para tener acceso a las hembras. Algunas de las cosas que hacen es golpearse con el ala, con las patas, o con la cabeza. Durante las agresiones emiten sonidos que duran más o menos unos 150 milisegundos, algunas veces varían pero es una señal muy clara.


La mosca puede escuchar estos sonidos de agresión a cierta distancia . Esto podríamos llamarlo una amenaza a distancia. Cuando hay agresión se escucha un sonido característico.


El canto de esta mosca dura como 10 o 15 segundos porque el macho repite el canto frente a la hembra varias veces. Si el canto fracasa, el macho tratará de saltar sobre ella pero la hembra no lo permitirá.


Cuando se hace el análisis del sonido, la frecuencia es más o menos la misma a lo largo del cortejo, lo único que varía es que primero hay una vibración muy rápida de las alas y luego viene un bz, bz, bz.


Midiendo el tiempo de estas llamadas que hace el macho, hemos descubierto que en los machos más exitosos, los que tienen acceso a las hembras, la duración del bz,bz,bz es mucho mayor que en los no exitosos, es decir que el está asociado por un lado la duración de la canción, y segundo, el ritmo. Los machos que no tienen muy buen ritmo, son los machos menos exitosos, lo que seguramente complacerá a muchos salseros.